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Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgung mit mindestens einem Wechselrichter,
mit dem mindestens eine Spannungskaskade (Spannungsvervielfacher) verbunden ist,
insbesondere eine Mehrphasenkaskade, zur Umwandlung einer an dem Wechselrichter
anliegenden Eingangsspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung (Versorgungsspannung),
insbesondere eine Hochspannung für Röntgengeneratoren oder rotierende Röntgensysteme
zum Beispiel in Computer-Tomographiegeräten oder für Eintankgeneratoren. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Röntgenanlage.
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Röntgenanlagen umfassen im allgemeinen einen Röntgenstrahler mit einer Röntgenröhre
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, sowie einen Röntgengenerator mit einer
Spannungsversorgung (Hochspannungserzeuger), die ein Netzteil umfasst und die die zum Betrieb
der Röntgenröhre erforderliche Hochspannung zur Verfügung stellt. Wenn der
Röntgenstrahler und die die Hochspannung erzeugenden Teile zu einer konstruktiven Einheit
kombiniert sind, spricht man auch von einem Eintankgenerator.
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Zum Betrieb von Röntgenröhren sind Anodenspannungen von zum Beispiel etwa 150 kV
bei einpoliger Versorgung oder etwa +/-75 kV bei zweipoliger Versorgung zwischen
Anode und Kathode erforderlich. An diese Spannungen bzw. die Schaltungen, mit denen
diese Spannungen erzeugt werden, werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Zur
Vermeidung von Schwankungen der erzeugten Röntgenstrahlen-Intensität sollen die
Spannungen möglichst konstant sein und eine geringe Welligkeit aufweisen. Um dies
erreichen zu können, ist mit steigenden Ausgangsleistungen bei gegebener Schaltfrequenz
des Wechselrichters eine immer größere Ausgangskapazität zur Glättung der Spannungen
erforderlich.
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Für eine schnelle Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms (z. B. im
Pulsbetrieb der Röntgenröhre) und insbesondere für eine schnelle Abwärtsregelung der
Ausgangsspannung bei kleinen Strömen ist jedoch eine möglichst kleine Ausgangskapazität
anzustreben, die auch zur Begrenzung der Belastung der Röntgenröhre im Störungsfall so
gering wie möglich sein soll.
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Weiterhin kann es aus hier nicht näher beschriebenen applikatorischen oder konstruktiven
Gründen vorteilhaft sein, eine einpolige Versorgungsspannung zu verwenden. Die dann zu
realisierende Spannung von zum Beispiel 150 kV stellt besondere Anforderungen an das
Design der Hochspannungstanks.
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Für die Anwendung in Eintankgeneratoren und bei rotierenden Röntgensystemen, wie sie
zum Beispiel in Computer-Tomographiegeräten (CT-Gerät) verwendet werden, ist ein
geringes Gewicht bzw. ein geringer Raumbedarf von besonderer Bedeutung. Dies betrifft
insbesondere solche Systeme, die mit einer Rotationsgeschwindigkeit von mehreren
Umdrehungen pro Sekunde arbeiten, wie zum Beispiel Subsekundenscanner, bei denen
Zentrifugalkräfte von 30 g oder mehr auftreten können.
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Aus der US-PS 4.995.069 ist eine Spannungsversorgung für eine Röntgenröhre,
insbesondere für ein CT-Gerät bekannt, bei der eine am Eingang anliegende
Wechselspannung zunächst mit einem Gleichrichter gleichgerichtet wird. Zur Erzeugung einer
zweipoligen Versorgungsspannung für die Röntgenröhre sind für jeden Pol an den
Gleichrichter jeweils ein Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung
angeschlossen, an dessen Ausgang ein Transformator zur Heraufsetzung der
Wechselspannung auf eine Zwischenspannung anliegt. Aus diesen Zwischenspannungen wird dann
für jeden Pol mit jeweils einer Spannungskaskade die erforderliche Anoden- bzw.
Kathodenspannung erzeugt. Zur Einsparung von Gewicht an dem sich drehenden Teil des
CT-Gerätes sind die Eingangsspannungsquelle, der Gleichrichter, die Wechselrichter sowie
die Transformatoren an einem stationären Teil angeordnet, wobei die Sekundäranschlüsse
der Transformatoren über Schleifringe und Schleifkontakte mit den Eingängen der
Spannungskaskaden verbunden sind. Dieser Weg wird jedoch als nachteilig angesehen, da
die Schleifringe und -kontakte insbesondere bei hohen Drehzahlen und/oder hohen
elektrischen Leistungen einem relativ starken Verschleiß unterworfen sind und häufige
Wartungsarbeiten erfordern.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine insbesondere
zum Betrieb einer Röntgenröhre in einem rotierenden Röntgensystem geeignete
Spannungsversorgung zu schaffen, die im Verhältnis zu ihrer Ausgangsleistung ein
besonders niedriges Gewicht und einen geringen Raumbedarf hat.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgung der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei der, auch bei hoher Ausgangsleistung und geringer
Welligkeit, die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom schnell geregelt werden können.
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Schließlich soll mit der Erfindung eine Spannungsversorgung geschaffen werden, die in
vorteilhafter Weise auch zur Erzeugung einer einpoligen Versorgungsspannung geeignet
ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Spannungsversorgung mit mindestens einem
Wechselrichter, mit dem mindestens eine Spannungskaskade verbunden ist, zur Umwandlung einer
an dem Wechselrichter anliegenden Eingangsspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung,
die eine Steuerschaltung zur Erzeugung einer Schaltspannung aufweist, mit der der
mindestens eine Wechselrichter mit einer solchen Schaltfrequenz betreibbar ist, dass in die
mindestens eine Spannungskaskade ein Resonanzstrom eingeprägt wird.
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Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass im Resonanzbetrieb eine Änderung der
Ausgangsleistung mit sehr steiler Kennlinie durch eine relativ geringe Änderung der
Schaltfrequenz und/oder des Tastverhältnisses, mit der/dem der Wechselrichter
angesteuert wird, möglich ist.
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Weiterhin ermöglicht diese Lösung eine erhebliche Gewichtseinsparung, da große
Transformatoren und große Glättungskondensatoren nicht erforderlich sind, so dass damit in
vorteilhafter Weise mobile Röntgensysteme geschaffen werden können.
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Andererseits kann unter Verzicht auf die Gewichtseinsparung auch eine Dimensionierung
mit besonders geringer Welligkeit bzw. hoher Ausgangsleistung gewählt werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ergibt sich insbesondere bei hohen Ausgangsleistungen,
da hierbei die anfallende Verlustleistung besser auf die Bauelemente verteilt wird, so dass
diese einer wesentlich geringeren Belastung ausgesetzt sind.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Mit der Ausführung gemäß Anspruch 2 kann durch Veränderung der Ansteuerung des
Wechselrichters in einfacher Weise der Resonanzstrom in der Kaskade und damit die
Ausgangsleistung geregelt werden. Diese Ausführung bietet sich insbesondere für einen
Pulsbetrieb einer Röntgenröhre an.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 3 ist im Hinblick auf ein geringes Gewicht besonders
vorteilhaft, da die Spannungskaskade ausschließlich aus Dioden und Kondensatoren
gebildet ist, deren Spannungsfestigkeit entsprechend der Anzahl von Stufen in der Kaskade
gering sein kann, wobei zur Glättung der Ausgangsspannung ein Glättungskondensator mit
einer relativ geringen Kapazität ausreicht, die sogar in Form einer Kabelkapazität realisiert
sein kann.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, dass der Transformator im Vergleich
zu bekannten Spannungsversorgungen mit Spannungsvervielfacher in Kaskadenbauweise
bei gleicher Ausgangskapazität wesentlich kleiner ausgeführt werden kann, wenn auf eine
weitere Verminderung der Welligkeit der Ausgangsspannung verzichtet wird. Dadurch ist
es möglich, das Gewicht der Spannungsversorgung wesentlich zu vermindern bzw. ein
wesentlich günstigeres Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung der Schaltung einerseits
und ihrem Gewicht andererseits zu erzielen, als mit den bekannten Spannungskaskaden.
Dadurch wird es insbesondere bei rotierenden Röntgensystemen wie zum Beispiel
Computer-Tomographiegeräten möglich, in günstiger Weise den Röntgenstrahler und
sämtliche Komponenten der Spannungsversorgung an dem rotierenden Teil anzuordnen,
so dass über die Schleifringe und -kontakte eine nur relativ niedrige Eingangsspannung
geführt werden muss.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, dass die benötigten Kapazitäten weiter
reduziert werden können. Insbesonders kann eine sehr geringe Welligkeit der
Ausgangsspannung ohne zusätzliche Stütz- oder Glättungskondensatoren in den Kaskadenstufen
erreicht werden.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 6 ist für eine besonders kompakte und platzsparende
Realisierung vorteilhaft.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Computer-Tomographiegerätes zur
Untersuchung eines Patienten;
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Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
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Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Computer-Tomographiegerät 1 mit einer Öffnung 2, in die
ein auf einem Tisch 3 liegender Patient zur Untersuchung eingefahren wird. Gleichzeitig
rotiert innerhalb des Gerätes 1 im wesentlichen entlang des Umfangs der Öffnung 2 ein
Röntgensystem sowie ein geeigneter Detektor um den Patienten, so dass der Patient in
bekannter Weise abgetastet wird. Aus den aufgenommenen Bilddaten wird mit einer
Computergestützten Verarbeitungseinrichtung 4 ein Tomographie-Bild erzeugt und auf
einem Monitor 5 wiedergegeben. Ein solches Gerät ist im Hinblick auf seine prinzipielle
Funktion bekannt ist, so dass es hier nicht weiter erläutert muss.
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Da das Röntgensystem mit bis zu mehreren Umdrehungen pro Sekunde um den Patienten
rotiert, ist ein geringes Gewicht von besonderer Bedeutung. Einen erheblichen Anteil an
dem Gesamtgewicht eines Röntgensystems trägt die Spannungsversorgung und hierbei
insbesondere der oder die Transformatoren bei, die zur Erzeugung der zum Betrieb der
Röntgenröhre benötigten Hochspannung erforderlich sind. Mit der erfindungsgemäßen
Spannungsversorgung kann unter anderem dieses Gewicht wesentlich vermindert werden.
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Eine erste Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt. Mit dieser ersten Schaltung wird, ebenso
wie mit den anderen, in den Fig. 3 und 4 gezeigten (zweiten bzw. dritten) Schaltungen,
eine einpolige positive Hochspannung (Versorgungs-Gleichspannung) für eine
Röntgenröhre erzeugt, die an die Anode angelegt wird, wobei die Kathode auf Masse liegt.
Allerdings könnte auch die Anode mit Massepotential verbunden sein und eine negative
Hochspannung an die Kathode geführt werden.
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Auch wenn hier ausschließlich die einpolige Ansteuerung erläutert wird, ist das
erfindungsgemäße Schaltungsprinzip natürlich auch zur zweipoligen Versorgung einer Röntgenröhre
geeignet, bei der an der Anode und der Kathode gleiche Spannungen mit unterschiedlicher
Polarität anliegen.
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Die erste Schaltung gemäß Fig. 2 stellt eine Drei-Phasen-Schaltung (drei Kaskaden) mit
vier Stufen dar. Auch wenn die Funktionsweise der Erfindung im folgenden anhand einer
dreiphasigen Ausführungsform erläutert wird, ist es für einen Fachmann klar, dass die
Erfindung auch in Form einer Kaskade mit zwei, vier oder mehr Phasen realisiert werden
kann. Dies gilt auch für eine von den hier beschriebenen Ausführungsformen abweichende
Anzahl der Stufen der Kaskaden.
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Im einzelnen umfasst die erste Schaltung einen ersten, einen zweiten und einen dritten
Wechselrichter 11, 12, 13, an deren Eingängen eine Gleichspannung 10
(Eingangsspannung oder Zwischenkreisspannung) anliegt, und die ausgangsseitig jeweils über einen
ersten und einen zweiten Kondensator C1 und C2 sowie über einen ersten, einen zweiten
bzw. einen dritten (Hochspannungs-)Transformator 111, 121, 131 mit einer ersten, einer
zweiten bzw. einer dritten Spannungskaskade 112, 122, 132 verbunden sind. Die
Kondensatoren C1 und C2 und bilden zusammen mit der Streuinduktivität des jeweiligen
Transformators jeweils einen Serienresonanzkreis.
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Die Spannungskaskaden 112, 122, 132 weisen jeweils vier Stufen auf, die aus in Serie
geschalteten Diodenanordnungen D und dazwischen liegenden Schubkondensatoren Cs
aufgebaut sind. Die Diodenanordnungen sind zum Beispiel jeweils in Form einer Dioden-
Brückenschaltung realisiert.
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Die Verbindung einer Spannungskaskade mit dem betreffenden Transformator erfolgt
durch zwei Entkopplungskondensatoren CK, die jeweils an den beiden Enden einer
Sekundärwicklung des Transformators 111, 121, 131 anliegen, sowie durch eine
Mittelpunktanzapfung dieser Sekundärwicklung, die an dem Mittelpunkt der ersten
Diodenanordnung sowie an Masse anliegt. Die Ausgänge der Spannungskaskaden sind über eine
Verbindungsleitung 204 parallel geschaltet und mit einem Ausgangs-Glättungskondensator
Cd, der auch durch eine Kabelkapazität realisiert sein kann, sowie der Anode einer
Röntgenröhre 15 verbunden. Die Kathode der Röntgenröhre 15 liegt an Masse.
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Sofern die Kapazität des Ausgangs-Glättungskondensators nicht ausreicht, um eine
geforderte minimale Welligkeit der Ausgangsspannung zu erzielen, kann zwischen die
Spannungspotentiale der Dioden-Brückenschaltungen D jeweils ein zusätzlicher
Glättungskondensator (nicht dargestellt) geschaltet werden. Da die Spannungsfestigkeit dieser
Glättungskondensatoren um die Anzahl vom Kaskadenstufen geringer sein kann, als
diejenige des Ausgangs-Glättungskondensators, sind die diesbezüglichen Anforderungen an
diese Glättungskondensatoren relativ gering.
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Die Potentiale der Stufenspannungen der einzelnen Kaskaden jeder Phase sind durch
Verbindungsleitungen 201, 202 und 203 (sowie 204) miteinander verbunden, wodurch
die Kapazitäten der Kondensatoren weiter reduziert werden können.
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Wenn als Eingangsspannung eine Wechselspannung zur Verfügung steht, wird diese
zunächst gleichgerichtet und dann den Wechselrichtern 11, 12, 13 zuführt.
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Die Wechselrichter 11, 12, 13 können übliche Halb- oder Vollbrücken-Wechselrichter
sein, mit denen die Gleichspannung 10 zum Beispiel unter Anwendung von
Reihenresonanzkreisen und Halbleiterschaltern in bekannter Weise in eine Wechselspannung
umgesetzt wird.
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Zur Ansteuerung der Wechselrichter 11, 12, 13 ist eine Steuerschaltung 14 vorgesehen,
mit der die in den Wechselrichtern vorhandenen Halbleiterschalter, bei denen es sich im
allgemeinen um IGBTs handelt, geschaltet werden. Die Ansteuerung der drei
Wechselrichter erfolgt dabei zyklisch nacheinander, so dass die drei erzeugten Wechselspannungen
eine vorzugsweise gleiche Phasenverschiebung (120 Grad) gegeneinander aufweisen
(3-Phasen-Betrieb).
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Diese Forderung kann durch entsprechende Auslegung der Wechselrichter 11, 12, 13
sowie der Steuerschaltung 14 einerseits und/oder geeignete Dimensionierung bzw.
Anpassung der Streuinduktivität der Transformatoren sowie eine entsprechende Wahl der
Kondensatoren erfüllt werden, wobei die Einstellung dieser Parameter natürlich auch von
der Anzahl der Stufen in jeder Spannungskaskade 112, 122, 132 und der gewünschten
Ausgangleistung abhängig ist.
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Die Kondensatoren C1, C2, die Streuinduktivität des ersten, zweiten bzw. dritten
Transformators 111, 121, 131 - eventuell mit zusätzlich vorgesehenen Resonanzdrosseln
(nicht dargestellt) - sowie die Ersatzkapazität der an den betreffenden Transformator
angeschlossenen ersten, zweiten bzw. dritten Kaskade 112, 122, 132 bilden die
bestimmenden Elemente jeweils eines Resonanzkreises. Im Resonanzfall, d. h. wenn die
Wechselrichter 11, 12, 13 jeweils mit einer Schaltspannung betrieben werden, deren
Frequenz eine auf die Resonanzfrequenz dieser Kreise abgestimmte Schaltfrequenz ist, wird
durch jeden Resonanzkreis ein Resonanzstrom in die angeschlossene Kaskade eingeprägt.
Die Mittelpunktanzapfung der Sekundärwicklung kann dabei das Bezugspotential
(Massepotential) definieren.
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In Resonanzfall fließt in den Kaskaden 112, 122, 132 jeweils ein Resonanzstrom, der eine
besonders hohe Ausgangsleistung zur Folge hat. Da dieser Resonanzstrom bei einer
Veränderung der Schaltfrequenz (Pulsfrequenz) der Schaltspannung, mit der die
Wechselrichter 11, 12, 13 angesteuert werden, gegenüber dem Resonanzfall relativ steil abfällt, ist
durch eine solche Veränderung eine einfache und sehr wirksame Regelung der
Ausgangsleistung der Spannungsversorgungsschaltung mittels der Steuerschaltung 14 möglich. Da
die Ausgangskapazität im Vergleich zu einer bekannten Schaltung mit gleicher
Ausgangsleistung und bei gleicher Welligkeit wesentlich geringer sein kann, kann diese
Regelung auch sehr schnell durchgeführt werden.
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Weiterhin ist eine solche Regelung auch über eine Veränderung des Tastverhältnisses der
Schaltspannung, das heißt eine Veränderung der Pulslänge bei konstanter Pulsfrequenz,
oder über eine Kombination beider Maßnahmen (Schaltfrequenz und Tastverhältnis)
möglich. Die Steuerschaltung 14 ist zu diesem Zweck entsprechend umschaltbar bzw.
einstellbar ausgelegt.
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Die Ansteuerung der Wechselrichter 11, 12, 13 kann auch mit den in den Druckschriften
DE 199 55 673.3 (EP 0 099 3127.0) beschriebenen Verfahren erfolgen, die durch
Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden sollen.
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Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltung, bei der gleiche oder einander
entsprechende Teile und Elemente wie in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind, so dass insoweit auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann und nur auf
die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 weisen hier die
Sekundärwicklungen der Transformatoren 111, 121, 131 keine Mittelpunktanzapfung auf. Bei der
ersten Ausführungsform können nämlich unterschiedliche Kopplungsfaktoren der
sekundären Teilwicklungen der Transformatoren 111, 121, 131 zu unterschiedlichen
Strombelastungen in den beiden Schubsäulen einer Phase führen. Bei der in Fig. 3
dargestellten zweiten Ausführungsform ist deshalb eine nicht unterteilte sekundäre
Wicklung ohne Mittelanzapfung vorgesehen. Dadurch sind die Strombelastungen in den
beiden Schubsäulen einer Phase stets identisch. Das Bezugspotential am Eingang der ersten
Kaskadenstufe sowie die Potentiale der Stufenspannungen der einzelnen Kaskaden 112,
122, 132 jeder Phase sind dabei wiederum durch die Verbindungsleitungen 201 bis 205
miteinander verbunden.
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Bei dieser zweiten Schaltung werden keine Entkopplungskondensatoren CK zwischen den
Sekundärwicklungen der Transformatoren und den Eingängen der ersten Kaskadenstufe
benötigt. Dadurch reduziert sich die erforderliche Isolierspannung dieser Wicklungen bei
gleichen Kapazitätswerten der Kaskaden gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.
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Darüber hinaus entspricht diese Schaltung der in Fig. 2 gezeigten ersten
Ausführungsform.
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Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche oder einander
entsprechende Teile und Elemente wie in Fig. 2 wiederum mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind, so dass insoweit auch hier auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden
kann und nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Die dritte Ausführungsform ist zweiphasig ausgelegt ist, wobei für jede Phase ein
Wechselrichter 11, 12 und an dessen Ausgang jeweils ein Transformator 111, 121 vorgesehen ist.
An den Sekundärwicklungen der Transformatoren liegen jeweils zwei Spannungskaskaden
112, 113 bzw. 122, 123 mit jeweils vier Stufen parallel an. Sämtliche Spannungskaskaden
112, 113, 122, 123 sind ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 304 parallel
geschaltet und mit einem Glättungskondensator Cd sowie der Anode einer Röntgenröhre
15 verbunden, deren Kathode an Masse liegt.
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Darüber hinaus entspricht diese Schaltung der in Fig. 2 gezeigten ersten
Ausführungsform. Insbesondere sind die Potentiale der Stufenspannungen der einzelnen Kaskaden jeder
Phase wiederum über Verbindungsleitungen 301, 302 bzw. 303 (sowie 304) miteinander
verbunden.
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Auch die Funktionsweise der Wechselrichter 11, 12, der Transformatoren 111, 121, sowie
der Spannungskaskaden 112, 113; 122, 123 ist im wesentlichen die gleiche, wie sie im
Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben wurde und
soll deshalb hier nicht wiederholt werden. Dies gilt auch für die Wahl der Schaltfrequenz,
mit der in Abhängigkeit von den Kondensatoren C1, C2, der Streuinduktivität der
Transformatoren 111 bzw. 121, sowie der jeweiligen Ersatzkapazität der Kaskaden 112, 113
bzw. 122, 123 die Resonanz erzeugt und ein Resonanzstrom in die Kaskaden eingeprägt
wird.
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Die Wechselrichter 11, 12 werden durch die Steuerschaltung 14 nacheinander so
angesteuert, dass die beiden erzeugten Wechselspannungen eine vorzugsweise gleiche
Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen (2-Phasen-Betrieb). Die Ausgangsleistung wird
wiederum über eine Veränderung der Schaltfrequenz und/oder des Tastverhältnisses der
Pulsspannung, mit der/dem die Wechselrichter 11, 12 angesteuert werden, eingestellt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schaltungsprinzip kann somit die mit Kaskaden erzielbare
Spitzenleistung weiter erhöht werden. Auf Grund des dabei vergleichsweise geringen
Gewichtes ist es möglich, kompakte Eintankgeneratoren für unterschiedliche
Leistungsbereiche und Anwendungen, das heißt sowohl für die Aufnahme von fotografischen
Röntgenbildern, als auch von bewegten Bildern, sowie für rotierende Röntgensysteme zu
schaffen.
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Besonders vorteilhaft ist schließlich, dass der für eine n-stufige Kaskade notwendige
Eingangstransformator nur eine Ausgangsspannung von etwa URöhre/n erzeugen muss.
Dies ermöglicht eine hochspannungsmäßig deutliche Verkleinerung der
Transformatorkomponenten. Entsprechendes gilt auch für die Kondensatoren und Dioden, auf die sich
die Leistungen jeweils relativ gleichmäßig verteilen, so dass sie nur relativ gering belastet
sind.
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Zur Verdeutlichung der insbesondere mit der ersten bis dritten Ausführungsform
erzielbaren Vorteile im Hinblick auf die geringe Belastung der Bauelemente soll für die zweite
Ausführungsform gemäß Fig. 3 die dort dargestellte dreiphasige, vierstufige Auslegung
mit einer einphasigen (Fig. 5) sowie einer zweiphasigen (Fig. 6) Auslegung verglichen
werden. Es sei dabei angenommen, dass die Schaltfrequenz der Wechselrichter etwa 40 kHz
beträgt und am Ausgang eine Spannung von etwa 100 kV bei einem Strom von etwa
1 A zur Verfügung steht.
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Eine einphasige vierte Ausführungsform der Erfindung weist gemäß Fig. 5 eine
vierstufige Kaskade 112, einen Transformator 111 sowie einen Wechselrichter 11 auf, wobei
gleiche oder einander entsprechende Teile und Elemente wiederum mit gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen sind. Gegenüber den in den Fig. 2, 3 und 4
dargestellten Schaltungen werden hier zusätzliche Stützkondensatoren benötigt. Für die
betrachtete Applikation wird mit vier in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren C11
bis C14, die jeweils über Verbindungsleitungen 201 bis 205 in jeweils eine der Dioden-
Brückenschaltungen D geschaltet sind und jeweils eine Kapazität von etwa 1 nF aufweisen,
sowie sechs Schubkondensatoren Cs mit einer Kapazität von jeweils etwa 11 nF eine
Welligkeit δUA (Ripple) der Ausgangsspannung von etwa 4 kV, das heißt etwa von 4%
erzielt. Der mittlere Strom durch die Dioden beträgt dabei etwa 0,5 A.
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Eine zweiphasige fünfte Ausführungsform der Erfindung weist gemäß Fig. 6 zwei
vierstufige Kaskaden 112, 122, zwei Transformatoren 111, 121 sowie zwei Wechselrichter
11, 12 auf, wobei gleiche oder einander entsprechende Teile und Elemente wiederum mit
gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet sind. Mit dieser Schaltung wird mit
jeweils sechs Schubkondensatoren Cs in jeder Kaskade mit einer Kapazität von jeweils etwa
2,5 nF eine Welligkeit der Ausgangsspannung von etwa 2,4 kV und somit von 2,4%
erzielt. Der Mittelwert des Stroms durch die Dioden in jeder Kaskade beträgt dabei etwa
0,25 A.
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Schließlich wird mit der dreiphasigen Ausführung mit drei Kaskaden 112, 122, 132 gemäß
Fig. 3 mit jeweils sechs Schubkondensatoren Cs in jeder Kaskade mit einer Kapazität von
jeweils etwa 1,5 nF eine Welligkeit der Ausgangsspannung von nur etwa 0,7 kV (d. h. 0,7%)
erzielt. Der Mittelwert des Stroms durch die Dioden in jeder Kaskade beträgt dabei
etwa 0,16 A.
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Dies zeigt, dass mit zunehmender Anzahl von Phasen zwar die Anzahl der Bauelemente
entsprechend steigt, dass diese jedoch bei gleichzeitig wesentlich geringerer Welligkeit der
Ausgangsspannung (bei gleicher Ausgangskapazität der Spannungskaskade) trotzdem
wesentlich kleiner dimensioniert werden können, da die Anforderungen an die
Spannungsfestigkeit entsprechend geringer sind.
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Umgekehrt könnte bei gleicher Welligkeit die Ausgangskapazität entsprechend verkleinert
werden, wenn, wie eingangs beschrieben wurde, zum Beispiel im Pulsbetrieb eine
besonders schnelle Regelung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms an der
Röntgenröhre von Bedeutung ist.
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Weiterhin eröffnet die zwei- und insbesondere die dreiphasige Ausführung aufgrund der
damit verbundenen Verminderung der Ausgangsspannung der Transformatoren die
Möglichkeit, die Transformatoren in Planartechnik zu realisieren und die Primär-
und/oder die Sekundärwicklungen in Form von auf die Schaltungsplatine gedruckten
Induktivitäten auszuführen. Damit wird eine weitere Gewichtseinsparung und
Volumenreduzierung erzielt, die insbesondere für die Herstellung von Tankgeneratoren
und mobilen Röntgenanlagen besonders vorteilhaft ist.